矿井提升机电控系统设计与实践探究

祝敏杰

摘 要：本文通过对荣泰矿某矿区提升机电控系统的分析，结合交流电控系统和直流电控系统的特点，对矿井提升机交直流电控系统的选择提出了一些建议和方案。

关键词：矿井提升机；直流可逆调速；转子双馈变频调速

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.137

1 矿井情况

本文研究对象选取荣泰矿某矿区提升机电控系统，该提升机的电机功率为800kW，定子额定电压10KV，定子额定电流61.9A，转子额定电压1011V ，转子额定电流487.2A。工作时电机转数591r/min。现就该提升机的硬件条件和各类型电控系统的优缺点来选择相应的电控系统方案。

2 矿井提升机电控系统的方案分析

对于矿井800KW的功率要求，在没有确定电机的情况下，可选用我国技术较为成熟的ASCS-3直流全数字调速方案或先进的ASCS-6转子双馈交流变频调速方案。结合该提升机的实际情况，下面对两种方案进行介绍。

（1）直流全数字调速方案介绍。ASCS-3直流全数字调速提升机电控系统，使用晶闸管变流，广泛应用于大功率电力拖动系统调速控制。可以根据提升机功率的不同，分为磁场换向和电枢换向两种方式，系统由两台ASCS-3-T型整流装置，可构成串联12脉动整流方式，实现全载全速运行。当一台ASCS-3-T型整流装置故障时可操作切换柜中的刀闸，切换为6脉动整流方式，实现全载半速运行。此调速方案适用于电机电压为440V-1000V，功率为600KW-3000KW的直流电机。

（2）转子双馈变频调速方案介绍。ASCS-6型调速系统采用IGBT背靠背双三电平变频器。变频器包括三电平整流器、三电平逆变器和全数字调节柜（内置矢量控制器）。在双馈调速工作时，除了电机定子侧与交流电网直接连接外，转子侧也要与交流电网或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势，通过这个电动势调节电动机的转速。此调速方案适用电机功率为400KW-2000kW的交流绕线电动机。

（3）方案的选择。直流电机具有电刷和换相器，因而必须经常检查更换碳刷换向器，使直流电机的应用环境受到限制。交流电机结构简单、工作可靠、成本低廉、效率高。直流系统结构比交流系统要复杂的多，维护费用也比交流系统高很多。一般来说直流电机的效率85%左右，而交流异步电机效率可以达到90%以上。

直流调速一般采用晶闸管整流，其谐波是无法避免的，需要治理。而交流变频系统一般都使用PWM（脉宽调制）方式，其谐波含量很小，根本不需要谐波治理。交流变频采用的智能型全控器件（IGBT），可以实现自保护，对于器件故障的保护功能更完善，并且能防止故障的进一步扩大，维护人员可以通过上位机系统得到故障信息。

3 ASCS-6转子双馈变频调速系统的具体设置

ASCS-6转子双馈变频调速系统包括定子侧控制系统、转子侧控制系统，包括：高压进线柜、高压换向柜、变压器、双馈转子变频器（变流柜、调节柜）、PLC柜、低压柜、操作台、上位机等组成。其具体组成情况由图1可知。

高压柜采用KYN28A-12型开关柜组成，具有电流、电压、电度测量，失压、过流、进线连锁，以及电动操作结构；高压柜的状态可经过PLC传输到上位机显示。低压柜为手动切换的双回路进线，能满足整个提升机电控系统和相应辅助设备的供电，包括绞车风机、信号系统、井筒开关、液压站等的供电。提升机中的网络化操作系统选用西门子S7-300双PLC进行控制，自动生成S型速度曲线，行程跟踪精度高，停车准确。同时采用基于Windows-CC系统下的人机接口对提升机的控制过程进行监控。三电平变频器包括变流柜、调节柜。一套完整的变流柜，IGBT数量为24只，二极管12只，元器件总数36只。变频器的的核心部分为调节柜中的矢量控制器，其采用多板卡单总线结构，主要包括：电源板、CPU板、脉冲板。对于功率器件IGBT，全部采用光纤触发。电源板：为整个机笼的控制板供电；CPU板 ：负责与外界PLC的通信，预留Profibus、RS485、Can三种通信接口；脉冲板：负责三电平整流器或逆变器的控制，主要完成矢量控制算法。

操作台采用操作方便的分体式结构，包括左操作台、右操作台、指示台。左操作台、右操作台装有制动手柄、主令手柄，各种控制提升机的按钮、开关。指示台上装有仪表、深度指示器、指示灯和西门子S7-300等，并通过指示灯、仪表及时了解提升机的运行状态、运行参数、重要的操作信号、报警信号等，保证在没有上位机图形显示的情况下，仍然可以安全操作。上位机具有监控功能，具有提升信号显示、提升保护、故障自诊断、行程、速度图、开车准备状态、控制系统状态、高低压电源回路、主回路、安全回路等连续实时显示及报表打印功能，便于事故的预测和分析处理，保证提升机安全可靠运行。

4 设计后系统的特点与功能

ASCS-6提升机转子双馈变频调速系统，使绕线机实现变频全范围调速，转子回路用双三电平变频器供电，定转子双馈调速，四象限运行，完全消除了转子能量。实现了网侧电流单位功率因数正弦波控制，主动消除变频器装置对电网的污染，提高了调速系统的功率因数，节约了电能。对直流母线电压的控制具有良好的动态响应，为三电平逆变器提供平稳的电平，提升了变频器的调速性能。通过我们在现场的应用，双馈系统不但能达到很好的调速性能，其功率因数为1且可调，网侧谐波在2%以下，大大低于国家标准。其低速调速平稳、能重载启动、有较强的过载能力，性能优良。上位机和调节柜中IGBT故障报警灯会自动报出变流柜中IGBT的故障，工人只要根据灯的位置就可以判断对应的故障IGBT，及时更换，维修方便快捷，提高了生产效率。该调速系统为转子变频调速，设备运行平稳，速度连续可调，人员乘坐舒适。

5 结束语

我国转子双馈变频调速系统是一个国际较领先的技术，其组成的电控系统操作性强、安全性高，已被运用到各种升降机械的操作中。本文主要对该系统在矿井提升机中的运用，及其组成部分进行了阐述，并讲述了相应的实践方案，展现了其当前所具有的优势，充分显示出其使用价值。endprint